CN115173051A - 一种宽带高增益圆极化天线阵列 - Google Patents

一种宽带高增益圆极化天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带高增益圆极化天线阵列，包括由上至下设置的上层金属贴片、上层介质基板、中间层金属贴片、下层介质基板、下层金属贴片，上层金属贴片包括设置于四个角的第一～四组金属片；每一组金属片的主体为正方形金属片，其中心刻蚀两个正交的矩形缝隙，并在四个角添加四个弧形金属片实现圆极化特性；每一组正方形金属片的左侧中间位置添加一个矩形金属片，并在其上刻蚀一个金属通孔，上层介质基板被四个金属通孔贯穿；中间层金属贴片平铺整个下层介质基板的上表面，并刻蚀四个圆形缝隙；下层介质基板被前述四个金属通孔贯穿；下层金属贴片是由微带线组成的1分4功分器。本发明的天线频带和轴比带宽均较宽，具有增益高、体积小的优点。

Description

一种宽带高增益圆极化天线阵列
技术领域
本发明涉及圆极化天线阵列技术领域，特别是一种宽带高增益圆极化天线阵列。
背景技术
为了满足因迅速发展而日趋复杂的无线通信系统的需求，具有宽频带、高增益同时兼具圆极化波辐射特性的天线是必不可少的。在实际应用中，宽带高增益圆极化天线能够有效解决带宽窄，增益低等限制无线通信系统工作性能的弊端。同时，圆极化天线相对于线极化天线具有更好的抗干扰能力，能够更好的应对日益复杂的电磁和自然环境。
通常单个天线单元的方向性和增益比较有限，难以满足大多数中远距通信场景的需求。高定向波束可以通过增加天线辐射口面的电气尺寸来实现，其中一个最为常用的方法就是把若干个天线单元按照一定的电气分布与空间位置分布排列进而构成天线阵列。阵列天线的辐射场等于各个单元天线的辐射场在远场的矢量叠加。为了得到所需的方向图，需要使单元的矢量场在指定的方向上相增叠加，而在其它方向上相消叠加，以减小信号泄露以及与其它系统之间的空间干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、容易实现的宽带高增益圆极化天线阵列，实现天线通信频带宽、圆极化频带宽、定向增益高的效果。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽带高增益圆极化天线阵列，包括由上至下设置的上层金属贴片、上层介质基板、中间层金属贴片、下层介质基板、下层金属贴片，其中：
所述上层金属贴片由四组结构完全相同的金属片组成，包括设置于左上角的第一组金属片，右上角的第二组金属片，左下角的第三组金属片和右下角的第四组金属片；每一组金属片的主体为正方形金属片，将正方形金属片的中心刻蚀两个顺时针旋转45度正交的矩形缝隙，并在正方形金属片的四个角添加四个弧形金属片实现圆极化特性；每一组正方形金属片的左侧中间位置添加一个矩形金属片，并在矩形金属片上刻蚀一个金属通孔，第一～第四组金属片分别对应第一～第四金属通孔；
所述上层介质基板被第一～第四金属通孔贯穿，连接上层金属贴片和中间层金属贴片；
所述中间层金属贴片平铺整个下层介质基板的上表面，并刻蚀四个圆形缝隙，分别是第一圆形缝隙、第二圆形缝隙、第三圆形缝隙和第四圆形缝隙；
所述下层介质基板被第一～第四金属通孔贯穿，连接中间层金属贴片和下层金属贴片；
所述下层金属贴片是由微带线组成的1分4功分器。
进一步地，所述第一组金属片的主体为第一正方形金属片，第一正方形金属片的左侧中间位置添加第二矩形金属片，并在第二矩形金属片上刻蚀第一金属通孔；第三弧形金属片设置于第一正方形金属片上面一条边的左端，沿着第一正方形金属片的中心旋转360度，复制三个结构相同位置不同的弧形金属片，分别是第四弧形金属片、第五弧形金属片和第六弧形金属片，四个弧形金属片分别附着在第一正方形金属片的四条边上；
第一正方形金属片的中心刻蚀两个尺寸大小不同且正交的矩形缝隙，分别是尺寸大的第一矩形缝隙和尺寸小的第二矩形缝隙，其中第一矩形缝隙从第一正方形金属片的左下角延伸至右上角。
进一步地，所述下层金属贴片是由微带线组成的1分4功分器，该1分4功分器整体由7部分组成，分别是第七金属片、第八金属片、第九金属片、第十金属片、第十一金属片、第十二金属片和第十三金属片；
所述第八金属片和第九金属片结构完全相同且左右对称，第八金属片的右上角刻蚀第一三角形，第九金属片左上角刻蚀第二三角形；
第十金属片、第十一金属片、第十二金属片和第十三金属片结构完全相同，其中第十金属片和第十二金属片上下对称，第十一金属片和第十三金属片上下对称；
第十金属片左上角刻蚀第三三角形，左下角刻蚀第四三角形，右上角刻蚀第一金属通孔；第十一金属片左上角刻蚀第五三角形，右下角刻蚀第六三角形，右上角刻蚀第二金属通孔；第十二金属片左下角刻蚀第七三角形，左上角刻蚀第八三角形，右下角刻蚀第三金属通孔；第十三金属片左下角刻蚀第九三角形，左上角刻蚀第十三角形，右下角刻蚀第四金属通孔。
进一步地，中间层金属贴片的第一～第四圆形缝隙的半径大于第一～第四金属通孔的半径，二者圆心位置相同。
进一步地，能量由第七金属片输入，经第八金属片和第九金属片传输到第十～第十三金属片，然后通过第一～第四金属通孔穿过第一～第四圆形缝隙传输到第一组～第四组金属片向外辐射，中间层金属贴片为天线和功分器的共用地板，馈线位于下层金属贴片。
进一步地，下层金属贴片不是左右对称结构，第八金属片与第九金属片呈左右对称，第十金属片与第十二金属片上下对称，第十一金属片与第十三金属片上下对称，第十一金属片、第十三金属片由第十金属片、第十二金属片向右平移得到的。
进一步地，上层介质基板厚度为1.57mm，下层介质基板的厚度为0.254mm，天线的整体高度为1.824mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用刻蚀两个顺时针旋转45度正交的矩形缝隙以及添加弧形贴片实现圆极化特性，结构简单，易于集成，并拓宽了轴比带宽；(2)通过采用金属通孔和圆形缝隙过孔馈电的方式，获得更宽的阻抗带宽；(3)采用微带线组成的一分四功分器，使天线实现高增益性能，具有稳定的辐射模式，并且辐射方向更集中。
附图说明
图1a是本发明宽带高增益圆极化天线阵列的侧视图。
图1b是本发明宽带高增益圆极化天线阵列的上层金属贴片电路图。
图1c是本发明宽带高增益圆极化天线阵列的上层介质层基板俯视图。
图1d是本发明宽带高增益圆极化天线阵列的中间层金属贴片电路图。
图1e是本发明宽带高增益圆极化天线阵列的下层介质基板俯视图。
图1f是本发明宽带高增益圆极化天线阵列的下层金属贴片电路图。
图1g是本发明天线阵列从上层介质层基板到下层金属贴片的俯视图。
图2是本发明宽带高增益圆极化天线阵列的S11曲线图。
图3是本发明宽带高增益圆极化天线阵列的增益曲线图。
图4是本发明宽带高增益圆极化天线阵列的轴比曲线图。
图5是本发明宽带高增益圆极化天线阵列在34GHz的E面辐射方向图。
图6是本发明宽带高增益圆极化天线阵列在34GHz的H面辐射方向图。
具体实施方式
本发明宽带高增益圆极化天线阵列，具有宽频带，宽轴比带宽以及高增益特性，为减少微带线对天线性能的影响，将其作为底层金属贴片，使天线性能更稳定，采用金属通孔与圆形缝隙过孔馈电的方式使天线具有更宽的阻抗带宽，上层金属贴片刻蚀两个顺时针旋转45度正交的矩形缝隙以及增加四个弧形结构使天线具有更宽的轴比频带。
结合图1，本发明一种宽带高增益圆极化天线阵列，包括由上至下设置的上层金属贴片1、上层介质基板2、中间层金属贴片3、下层介质基板4、下层金属贴片5，其中：
所述上层金属贴片1由四组结构完全相同的金属片组成，包括设置于左上角的第一组金属片11，右上角的第二组金属片12，左下角的第三组金属片13和右下角的第四组金属片14；每一组金属片的主体为正方形金属片，将正方形金属片的中心刻蚀两个顺时针旋转45度正交的矩形缝隙，并在正方形金属片的四个角添加四个弧形金属片实现圆极化特性；每一组正方形金属片的左侧中间位置添加一个矩形金属片，并在矩形金属片上刻蚀一个金属通孔，第一～第四组金属片11、12、13、14分别对应第一～第四金属通孔21、22、23、24；
所述上层介质基板2被第一～第四金属通孔21、22、23、24贯穿，连接上层金属贴片1和中间层金属贴片3；
所述中间层金属贴片3平铺整个下层介质基板4的上表面，并刻蚀四个圆形缝隙，分别是第一圆形缝隙31、第二圆形缝隙32、第三圆形缝隙33和第四圆形缝隙34；
所述下层介质基板4被第一～第四金属通孔21、22、23、24贯穿，连接中间层金属贴片3和下层金属贴片5；
所述下层金属贴片5是由微带线组成的1分4功分器。
作为一种具体示例，所述第一组金属片11的主体为第一正方形金属片111，第一正方形金属片111的左侧中间位置添加第二矩形金属片112，并在第二矩形金属片112上刻蚀第一金属通孔21；第三弧形金属片113设置于第一正方形金属片111上面一条边的左端，沿着第一正方形金属片111的中心旋转360度，复制三个结构相同位置不同的弧形金属片，分别是第四弧形金属片114、第五弧形金属片115和第六弧形金属片116，四个弧形金属片分别附着在第一正方形金属片111的四条边上；
第一正方形金属片111的中心刻蚀两个尺寸大小不同且正交的矩形缝隙，分别是尺寸大的第一矩形缝隙117和尺寸小的第二矩形缝隙118，其中第一矩形缝隙117从第一正方形金属片111的左下角延伸至右上角。
作为一种具体示例，所述下层金属贴片5是由微带线组成的1分4功分器，该1分4功分器整体由7部分组成，分别是第七金属片51、第八金属片52、第九金属片53、第十金属片54、第十一金属片55、第十二金属片56和第十三金属片57；
所述第八金属片52和第九金属片53结构完全相同且左右对称，第八金属片52的右上角刻蚀第一三角形521，第九金属片53左上角刻蚀第二三角形531；
第十金属片54、第十一金属片55、第十二金属片56和第十三金属片57结构完全相同，其中第十金属片54和第十二金属片56上下对称，第十一金属片55和第十三金属片57上下对称；
第十金属片54左上角刻蚀第三三角形541，左下角刻蚀第四三角形542，右上角刻蚀第一金属通孔21；第十一金属片55左上角刻蚀第五三角形551，右下角刻蚀第六三角形552，右上角刻蚀第二金属通孔22；第十二金属片56左下角刻蚀第七三角形561，左上角刻蚀第八三角形562，右下角刻蚀第三金属通孔23；第十三金属片57左下角刻蚀第九三角形571，左上角刻蚀第十三角形572，右下角刻蚀第四金属通孔24。
作为一种具体示例，中间层金属贴片3的第一～第四圆形缝隙31、32、33、34的半径大于第一～第四金属通孔21、22、23、24的半径，二者圆心位置相同。
作为一种具体示例，能量由第七金属片51输入，经第八金属片52和第九金属片53传输到第十～第十三金属片54、55、56、57，然后通过第一～第四金属通孔21、22、23、24穿过第一～第四圆形缝隙31、32、33、34传输到第一组～第四组金属片11、12、13、14向外辐射，中间层金属贴片3为天线和功分器的共用地板，馈线位于下层金属贴片5。
作为一种具体示例，下层金属贴片5不是左右对称结构，第八金属片52与第九金属片53呈左右对称，第十金属片54与第十二金属片56上下对称，第十一金属片55与第十三金属片57上下对称，第十一金属片55、第十三金属片57由第十金属片54、第十二金属片56向右平移得到的。
作为一种具体示例，上层介质基板2厚度为1.57mm，下层介质基板4的厚度为0.254mm，天线的整体高度为1.824mm。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
结合图1，本发明宽带高增益圆极化天线阵列，包括上层金属贴片1、上层介质基板2、中间层金属贴片3、下层介质基板4、下层金属贴片5；所述上层金属贴片1由四组结构完全相同的第一～第四组金属片11、12、13、14组成；以左上角第一组金属片11为例，第一正方形金属片111的左侧中间位置添加第二矩形金属片112，并在第二矩形金属片112上刻蚀第一金属通孔21，第三弧形金属片113沿着第一正方形金属片111的中心旋转360度，复制三个结构相同位置不同的第四弧形金属片114、第五弧形金属片115、第六弧形金属片116附着在第一正方形金属片111上，第一正方形金属片111的中心刻蚀两个顺时针旋转45度大小不同正交的第一矩形缝隙117、第二矩形缝隙118；第一～第四金属通孔21、22、23、24贯穿上层介质基板2，用于连接上层金属贴片1和中间层金属贴片3；中间层金属贴片3平铺整个下层介质基板4的上表面，并刻蚀四个圆形缝隙31、32、33、34，其中第一～第四圆形缝隙31、32、33、34的半径大于第一～第四金属通孔21、22、23、24，二者圆心相同；第一～第四金属通孔21、22、23、24贯穿下层介质基板4，用于连接中间层金属贴片3和下层金属贴片5；下层金属贴片5由第七～第十三金属片51、52、53、54、55、56、57组成，第八、第九金属片52、53左右对称，结构完全相同，第八金属片52的右上角刻蚀第一三角形521，第九金属片53左上角刻蚀第二三角形531；第十金属片54、第十一金属片55、第十二金属片56和第十三金属片57结构完全相同，其中第十金属片54和第十二金属片56上下对称，第十一金属片55和第十三金属片57上下对称；第十金属片54左上角刻蚀第三三角形541，左下角刻蚀第四三角形542，右上角刻蚀第一金属通孔21；第十一金属片55左上角刻蚀第五三角形551，右下角刻蚀第六三角形552，右上角刻蚀第二金属通孔22；第十二金属片56左下角刻蚀第七三角形561，左上角刻蚀第八三角形562，右下角刻蚀第三金属通孔23；第十三金属片57左下角刻蚀第九三角形571，左上角刻蚀第十三角形572，右下角刻蚀第四金属通孔24。
本发明设计过程如下：
(一)上层介质基板2的厚度为1.57mm、介电常数为2.2，下层介质基板4的厚度为0.254mm、介电常数为2.2。
(二)上层金属贴片1通过两个刻蚀旋转45度正交的矩形缝隙及增加四个弧形结构使天线实现圆极化性能，并拓宽了轴比带宽，采用金属通孔21、22、23、24和圆形缝隙31、32、33、34过孔的方式使天线具有宽带特性；
(三)下层金属贴片5为微带线组成的一分四功分器的设计，通过将四组完全相同的金属片排列成2×2结构，使所设计的天线有高增益特性，并且使辐射方向更集中。
结合图1a～图1g，本发明宽带高增益圆极化天线阵列，介质基片2的材料为RogerRT5880，介电常数εr＝2.2，厚度H1＝1.57mm,尺寸为18mm×23mm×1.57mm,介质基片5的材料为Roger RT5880，介电常数εr＝2.2，厚度H2＝0.254mm，尺寸为19mm×23mm×0.254mm；贯穿上层层介质基板2的金属通孔21、22、23、24直径为0.5mm，中层金属贴片上的圆形缝隙31、32、33、34直径为1.2mm，矩形缝隙117宽度为0.9mm，长度为5.5mm，矩形缝隙118宽度为0.4mm，长度为2.1mm。
图2是本发明宽带高增益圆极化天线阵列的S11曲线图，宽带高增益圆极化天线阵列的工作频带为28.8～41.2GHz，绝对带宽为12.4GHz，相对带宽为34.8％，本天线具有较宽的工作频带。
图3是本发明宽带高增益圆极化天线阵列轴比曲线图，宽带高增益圆极化天线阵列的轴比频带为28.8～37.7GHz，绝对轴比带宽为8.9GHz，相对轴比带宽为26.8％。
图4是本发明宽带高增益圆极化天线阵列的增益随频率变化的曲线图，峰值增益为10.9dBic，与单个圆极化天线单元相比具有更高的增益。
图5是本发明宽带高增益圆极化天线阵列在34GHz时E面辐射方向图，宽带高增益圆极化天线阵列方向图稳定，主极化明显，交叉极化水平低。
图6是本发明宽带高增益圆极化天线阵列在34GHz时H面辐射方向图，宽带高增益圆极化天线阵列方向图稳定，主极化明显，交叉极化水平低。
综上所述，本发明宽带高增益圆极化天线阵列具有较宽的频带以及轴比带宽，并且在工作频带内增益较高，辐射方向图稳定，交叉极化水平低，结构简单，易于加工实现。

Claims (7)

1.一种宽带高增益圆极化天线阵列，其特征在于，包括由上至下设置的上层金属贴片(1)、上层介质基板(2)、中间层金属贴片(3)、下层介质基板(4)、下层金属贴片(5)，其中：
所述上层金属贴片(1)由四组结构完全相同的金属片组成，包括设置于左上角的第一组金属片(11)，右上角的第二组金属片(12)，左下角的第三组金属片(13)和右下角的第四组金属片(14)；每一组金属片的主体为正方形金属片，将正方形金属片的中心刻蚀两个顺时针旋转45度正交的矩形缝隙，并在正方形金属片的四个角添加四个弧形金属片实现圆极化特性；每一组正方形金属片的左侧中间位置添加一个矩形金属片，并在矩形金属片上刻蚀一个金属通孔，第一～第四组金属片(11、12、13、14)分别对应第一～第四金属通孔(21、22、23、24)；
所述上层介质基板(2)被第一～第四金属通孔(21、22、23、24)贯穿，连接上层金属贴片(1)和中间层金属贴片(3)；
所述中间层金属贴片(3)平铺整个下层介质基板(4)的上表面，并刻蚀四个圆形缝隙，分别是第一圆形缝隙(31)、第二圆形缝隙(32)、第三圆形缝隙(33)和第四圆形缝隙(34)；
所述下层介质基板(4)被第一～第四金属通孔(21、22、23、24)贯穿，连接中间层金属贴片(3)和下层金属贴片(5)；
所述下层金属贴片(5)是由微带线组成的1分4功分器。
2.根据权利要求1所述的宽带高增益圆极化天线阵列，其特征在于，所述第一组金属片(11)的主体为第一正方形金属片(111)，第一正方形金属片(111)的左侧中间位置添加第二矩形金属片(112)，并在第二矩形金属片(112)上刻蚀第一金属通孔(21)；第三弧形金属片(113)设置于第一正方形金属片(111)上面一条边的左端，沿着第一正方形金属片(111)的中心旋转360度，复制三个结构相同位置不同的弧形金属片，分别是第四弧形金属片(114)、第五弧形金属片(115)和第六弧形金属片(116)，四个弧形金属片分别附着在第一正方形金属片(111)的四条边上；
第一正方形金属片(111)的中心刻蚀两个尺寸大小不同且正交的矩形缝隙，分别是尺寸大的第一矩形缝隙(117)和尺寸小的第二矩形缝隙(118)，其中第一矩形缝隙(117)从第一正方形金属片(111)的左下角延伸至右上角。
3.根据权利要求2所述的宽带高增益圆极化天线阵列，其特征在于，所述下层金属贴片(5)是由微带线组成的1分4功分器，该1分4功分器整体由7部分组成，分别是第七金属片(51)、第八金属片(52)、第九金属片(53)、第十金属片(54)、第十一金属片(55)、第十二金属片(56)和第十三金属片(57)；
所述第八金属片(52)和第九金属片(53)结构完全相同且左右对称，第八金属片(52)的右上角刻蚀第一三角形(521)，第九金属片(53)左上角刻蚀第二三角形(531)；
第十金属片(54)、第十一金属片(55)、第十二金属片(56)和第十三金属片(57)结构完全相同，其中第十金属片(54)和第十二金属片(56)上下对称，第十一金属片(55)和第十三金属片(57)上下对称；
第十金属片(54)左上角刻蚀第三三角形(541)，左下角刻蚀第四三角形(542)，右上角刻蚀第一金属通孔(21)；第十一金属片(55)左上角刻蚀第五三角形(551)，右下角刻蚀第六三角形(552)，右上角刻蚀第二金属通孔(22)；第十二金属片(56)左下角刻蚀第七三角形(561)，左上角刻蚀第八三角形(562)，右下角刻蚀第三金属通孔(23)；第十三金属片(57)左下角刻蚀第九三角形(571)，左上角刻蚀第十三角形(572)，右下角刻蚀第四金属通孔(24)。
4.根据权利要求3所述的宽带高增益圆极化天线阵列，其特征在于，中间层金属贴片(3)的第一～第四圆形缝隙(31、32、33、34)的半径大于第一～第四金属通孔(21、22、23、24)的半径，二者圆心位置相同。
5.根据权利要求4所述的宽带高增益圆极化天线阵列，其特征在于，能量由第七金属片(51)输入，经第八金属片(52)和第九金属片(53)传输到第十～第十三金属片(54、55、56、57)，然后通过第一～第四金属通孔(21、22、23、24)穿过第一～第四圆形缝隙(31、32、33、34)传输到第一组～第四组金属片(11、12、13、14)向外辐射，中间层金属贴片(3)为天线和功分器的共用地板，馈线位于下层金属贴片(5)。
6.根据权利要求3所述的宽带高增益圆极化天线阵列，其特征在于，下层金属贴片(5)不是左右对称结构，第八金属片(52)与第九金属片(53)呈左右对称，第十金属片(54)与第十二金属片(56)上下对称，第十一金属片(55)与第十三金属片(57)上下对称，第十一金属片(55)、第十三金属片(57)由第十金属片(54)、第十二金属片(56)向右平移得到的。
7.根据权利要求1～6任一项所述的宽带高增益圆极化天线阵列，其特征在于，上层介质基板(2)厚度为1.57mm，下层介质基板(4)的厚度为0.254mm，天线的整体高度为1.824mm。
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